Batterie allo stato solido: il ruolo critico della meccanica

Sergiy Kalnaus, et al. Batterie allo stato solido: il ruolo critico della meccanica. Scienza. 381, 1300 (2023).

Le batterie allo stato solido con anodi di litio metallico hanno il potenziale per una maggiore densità di energia, una maggiore durata, una temperatura operativa più ampia e una maggiore sicurezza. Sebbene la maggior parte della ricerca si sia concentrata sul miglioramento della cinetica di trasporto e della stabilità elettrochimica dei materiali e delle interfacce, esistono anche sfide critiche che richiedono lo studio della meccanica dei materiali. Nelle batterie con interfacce solido-solido, i contatti meccanici e lo sviluppo di sollecitazioni durante il funzionamento delle batterie allo stato solido diventano critici quanto la stabilità elettrochimica per mantenere costante il trasferimento di carica su queste interfacce. Questa revisione si concentrerà sullo stress e sulla tensione che risultano dal ciclo normale ed prolungato della batteria e sui meccanismi associati per alleviare lo stress, alcuni dei quali portano al guasto di queste batterie.

SFONDO

Le batterie allo stato solido (SSB) presentano importanti vantaggi potenziali rispetto alle tradizionali batterie agli ioni di litio utilizzate nei telefoni di tutti i giorni e nei veicoli elettrici. Tra questi potenziali vantaggi c’è una maggiore densità energetica e una ricarica più rapida. Un separatore di elettroliti solidi può anche garantire una maggiore durata, una temperatura operativa più ampia e una maggiore sicurezza grazie all'assenza di solventi organici infiammabili. Uno degli aspetti critici degli SSB è la risposta allo stress della loro microstruttura ai cambiamenti dimensionali (deformazioni) guidati dal trasporto di massa. Le deformazioni compositive nelle particelle catodiche si verificano anche nelle batterie con elettrolita liquido, ma nelle SSB queste deformazioni portano a problemi meccanici di contatto tra le particelle dell'elettrodo in espansione o contrazione e l'elettrolita solido. Dal lato dell'anodo, la placcatura del litio metallico crea il proprio stato di stress complesso all'interfaccia con l'elettrolita solido. Una caratteristica critica degli SSB è che tale placcatura può avvenire non solo all’interfaccia elettrodo-elettrolita ma all’interno dell’elettrolita solido stesso, all’interno dei suoi pori o lungo i bordi dei grani. Tale deposizione confinata di litio crea aree con elevato stress idrostatico in grado di innescare fratture nell'elettrolita. Sebbene la maggior parte dei guasti negli SSB siano causati dalla meccanica, la maggior parte della ricerca è stata dedicata al miglioramento del trasporto ionico e della stabilità elettrochimica degli elettroliti. Nel tentativo di colmare questa lacuna, in questa recensione presentiamo un quadro meccanico per gli SSB ed esaminiamo le principali ricerche nel campo, concentrandoci sui meccanismi attraverso i quali lo stress viene generato, prevenuto e alleviato. Una caratteristica critica degli SSB è che tale placcatura può avvenire non solo all’interfaccia elettrodo-elettrolita ma all’interno dell’elettrolita solido stesso, all’interno dei suoi pori o lungo i bordi dei grani. Tale deposizione confinata di litio crea aree con elevato stress idrostatico in grado di innescare fratture nell'elettrolita. Sebbene la maggior parte dei guasti negli SSB siano causati dalla meccanica, la maggior parte della ricerca è stata dedicata al miglioramento del trasporto ionico e della stabilità elettrochimica degli elettroliti. Nel tentativo di colmare questa lacuna, in questa recensione presentiamo un quadro meccanico per gli SSB ed esaminiamo le principali ricerche nel campo, concentrandoci sui meccanismi attraverso i quali lo stress viene generato, prevenuto e alleviato. Una caratteristica critica degli SSB è che tale placcatura può avvenire non solo all’interfaccia elettrodo-elettrolita ma all’interno dell’elettrolita solido stesso, all’interno dei suoi pori o lungo i bordi dei grani. Tale deposizione confinata di litio crea aree con elevato stress idrostatico in grado di innescare fratture nell'elettrolita. Sebbene la maggior parte dei guasti negli SSB siano causati dalla meccanica, la maggior parte della ricerca è stata dedicata al miglioramento del trasporto ionico e della stabilità elettrochimica degli elettroliti. Nel tentativo di colmare questa lacuna, in questa recensione presentiamo un quadro meccanico per gli SSB ed esaminiamo la ricerca leader nel campo, concentrandoci sui meccanismi attraverso i quali lo stress viene generato, prevenuto e alleviato. all'interno dei suoi pori o lungo i bordi del grano. Tale deposizione confinata di litio crea aree con elevato stress idrostatico in grado di innescare fratture nell'elettrolita. Sebbene la maggior parte dei guasti negli SSB siano causati dalla meccanica, la maggior parte della ricerca è stata dedicata al miglioramento del trasporto ionico e della stabilità elettrochimica degli elettroliti. Nel tentativo di colmare questa lacuna, in questa recensione presentiamo un quadro meccanico per gli SSB ed esaminiamo le principali ricerche nel campo, concentrandoci sui meccanismi attraverso i quali lo stress viene generato, prevenuto e alleviato. all'interno dei suoi pori o lungo i bordi del grano. Tale deposizione confinata di litio crea aree con elevato stress idrostatico in grado di innescare fratture nell'elettrolita. Sebbene la maggior parte dei guasti negli SSB siano causati dalla meccanica, la maggior parte della ricerca è stata dedicata al miglioramento del trasporto ionico e della stabilità elettrochimica degli elettroliti. 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AVANZAMENTI

La spinta verso le risorse rinnovabili richiede lo sviluppo di batterie di prossima generazione con densità di energia più che doppie rispetto a quelle attuali e che possano caricarsi in 5 minuti o meno. Ciò ha portato a una corsa per sviluppare elettroliti che possano sia facilitare la ricarica rapida di 5 minuti sia abilitare gli anodi metallici al litio, la chiave per l’alta energia. La scoperta di elettroliti solidi che hanno un'elevata stabilità elettrochimica con il litio metallico e di elettroliti solidi solforati con conduttività ionica maggiore di quella di qualsiasi elettrolita liquido hanno stimolato uno spostamento nella comunità di ricerca verso gli SSB. Sebbene queste scoperte abbiano fatto sperare che gli SSB possano consentire la visione di una ricarica rapida e di un raddoppio della densità energetica,

VEDUTA

È necessario affrontare diverse sfide chiave, tra cui (i) la placcatura non uniforme del litio su una superficie dell'elettrolita solido e la deposizione di litio metallico all'interno dell'elettrolita solido; (ii) perdita di contatto interfacciale all'interno della cella come risultato delle variazioni di volume associate al ciclo elettrochimico che si verifica ai contatti degli elettrodi e anche ai bordi dei grani; e (iii) processi di produzione per formare SSB con un elettrolita solido molto sottile e un minimo di componenti inattivi, inclusi leganti e supporti strutturali. La meccanica è un denominatore comune che collega questi problemi. La deposizione di litio metallico nei difetti superficiali e di volume di un elettrolita solido ceramico provoca elevate sollecitazioni locali che possono portare alla frattura dell'elettrolita con ulteriore propagazione del litio metallico nelle fessure. Nella produzione, come requisito minimo, gli stack catodo-elettrolita dovrebbero possedere una resistenza sufficiente per resistere alle forze applicate dall'apparecchiatura. Una migliore comprensione della meccanica dei materiali SSB si trasferirà allo sviluppo di elettroliti solidi, catodi, anodi e architetture di celle, nonché di pacchi batteria progettati per gestire le sollecitazioni legate alla produzione e al funzionamento delle batterie.

 Figura 1 Diagramma schematico delle batterie allo stato solido al litio metallico, meccanica e fenomeni di trasporto.

 Figura 2 Scala della lunghezza e meccanica dipendente dalla velocità del litio metallico.

 Figura 3 La plasticità è innescata dalla densificazione e dal flusso di taglio nei materiali amorfi e rafforzata dall'introduzione di dislocazioni nella ceramica cristallina, evitando così la frattura.

 Figura 4 Recupero della deformazione in LiPON, con conseguente comportamento simile all'isteresi durante il caricamento ciclico della nanoindentazione.

 Figura 5 Danno da fatica del catodo solido composito.

 Figura 6 Diagramma schematico della propagazione del litio attraverso l'elettrolita solido.